JP4949646B2 - 放射線イメージングシステムの検出器 - Google Patents

Description

本発明は、一般にイメージングシステムに関し、より具体的には放射線イメージングシステムの検出器システムに関する。

多くのイメージングシステムは、センサアレイと読み出し電子装置チャネルとの間の信号のフレキシブルルーティング及びスイッチングを必要とする可能性がある。このような要件の理由の幾つかには、より良好な電気的性能、読み出し電子回路のより大きなダイナミックレンジ、より良好な画像品質及びより大きな検出器面積が含まれる。ボリュームＣＴシステムなどの用途では、より大きな面積のアレイを備えた検出器を必要とする。

制限されたダイナミックレンジの読み出し電子回路は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチを用いたピクセルの静的ビニングによって対処することができる。例えば、低い信号レベルを備えたＣＴスキャンでは、ＦＥＴスイッチは、異なるピクセルからの信号を単一のＡＳＩＣチャネルに結合するように設定される。ＦＥＴは通常、ベアのシリコンダイ上に形成され、Ｘ線センサに近接した位置にある検出器モジュール上に実装される。通常、ＦＥＴのパッドは、例えばワイヤーボンディングでセンサピクセルアレイ及びＡＳＩＣボード上に電気的に接続される。多くの場合、センサコンタクトは、Ｘ線信号を受信する側面と同じ側面に形成されるため、Ｘ線検出に利用可能なアクティブ区域が縮小される結果となる。

また、単一のチャネルを用いて複数の電気信号をピクセルから電子装置に動的にルーティングすることが要求される。所定時間内での単一チャネルへの複数のピクセル信号の動的ルーティングは、一般に高帯域ＦＥＴを用いて達成され、該ＦＥＴはリアルタイムで動作して、ビューの間に全ての適切なピクセルが指定チャネルを通じて読み出される。このような動的ＦＥＴは通常、別々の構成要素としてパッケージされ、センサから離れたプリント基板上に実装される。加えて、ＦＥＴの遠隔取り付けは、全てのピクセルに対する接続を基板にルーティングすることが必要となる。

信号を動的にルーティングする別の理由は、隣接したチャネルからの信号を異なる電子装置、通常は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）にルーティングするディザリング機能を提供することである。例えば、ＣＴシステムにおけるディザリングの利点は、ＣＴシステムの背景ノイズと組み合わせて見たときに、１つのＡＳＩＣの別のＡＳＩＣに対する線形性の差異が、再構成画像のチェッカーボードパターンを生成することである。通常、ディザリングは、プリント基板上に信号をルーティングすることによって達成される。プリント基板に関する１つの問題は、電気的に導通するトレース幅の寸法が大きいことであり、従って、ディザリングを達成するためには大きなボード面積及び幾つかの導通する層を必要とする。

検出器の別の望ましい特徴は、検出器面積が大きいことである。大きな面積を備えた検出器を設計する１つの問題は、検出器の電気的性能に影響を及ぼす電子ノイズが導入されることである。電子ノイズの可能性のある原因は、トレースルーティングの設計不良、すなわち、長いトレースの自己キャパシタンス、及び他の電子装置がトレースに近接して位置することが含まれる。加えて、トレースの間のキャパシタンスは、電子ノイズの原因となる可能性があるチャネル間のクロストークを招く。

大きな検出器面積に望ましい別の特徴は、スイッチング回路をセンサアレイに近接して配置することであり、従って、センサアレイとスイッチング回路との間に最小のキャパシタンスが生じる。こうした物理的構成は、実質的にノイズ性能及び２つの重要な収集モード、すなわち相関二重サンプリング及び電荷蓄積収集シーケンスの効率を改善する。相関二重サンプリングは、ノイズを低減するためのアナログ電子工学の技術分野で公知の収集シーケンス手法であり、電荷蓄積は、単一の増幅チャネルに対して複数のピクセルを順序付ける手法である。通常、従来の検出器においては、スイッチング回路は、センサ自体からある距離の位置にあるボード又は基板上に実装されたディスクリート回路として存在する。センサとスイッチ回路との間のルーティングは、有意なキャパシタンス（約１０から１００ピコファラッド）をもたらし、２つの収集方式の効率を低減する。

ほとんどの検出器システムに存在する別の問題は、１つの読み出し電子回路装置が別の装置とわずかに異なる比例関係で電荷をデジタル信号に変換するときに、ブロックアーチファクトが生成されることである。この差違は、電子装置のオフセット又はゲインにそれぞれ対応する低い信号値又は高い信号値で存在する可能性がある。

加えて、センサ接続アレイのパターンは、電子装置の接続アレイと同じではない可能性がある。多くの場合、電子装置はセンサアレイよりも面積が小さく、そのコンタクトのピッチはより微細である。また、アレイパターンの違いはノイズをもたらす場合がある。加えて、ピクセルピッチの変化は一般に、センサと電子装置の間の多層フレックス回路をルーティングすることによって得られる。一般的にこうした回路のトレース長は長く、キャパシタンスの付加及び信号経路に対するノイズの誘因となる。
特許公開第２００２−１２５２２８号

従って、大きな検出器面積と同時に、電気的性能、読み出し電子回路のダイナミックレンジを改善し、並びに良好な画像品質を提供する検出器設計に対する必要性がある。

要約すると、本発明の１つの態様によれば、イメージングシステムにおいて使用する検出器が提供される。該検出器は、Ｘ線信号を受信して該Ｘ線信号を対応する電気信号に変換するように構成された少なくとも１つのセンサアレイと、電子信号を対応するデジタル信号に変換するように構成された少なくとも１つの電子装置と、センサアレイと電子装置とを結合するスイッチング回路とを備え、該スイッチング回路は電気信号をセンサアレイから電子装置にルーティングするように構成される。

別の実施形態においては、対象物の画像を生成するためのＸ線イメージングシステムが提供される。イメージングシステムは、対象物に対してＸ線放射線が対象物を透過するように構成された空間関係で配置されたＸ線源と、該Ｘ線放射線を対応する電気信号に変換するように構成された少なくとも１つの一体型検出器モジュールと、電気信号を処理して対象物の画像を生成するためのプロセッサとを備える。前記検出器は、Ｘ線信号を受信して該Ｘ線信号を対応する電気信号に変換するように構成された少なくとも１つのセンサアレイと、電気信号を対応するデジタル信号に変換するように構成された少なくとも１つの電子装置と、センサアレイと電子装置を結合し、電気信号をセンサアレイから電子装置にルーティングするために構成された少なくとも１つのスイッチング回路とから構成される。

別の実施形態においては、対象物の画像を生成するためのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムが提供される。該ＣＴシステムは、放射線のストリームを放出するよう構成されたＸ線源と、Ｘ線放射線を対応する電気信号に変換するように構成された少なくとも１つの一体化された検出器モジュールと、電気信号を処理して対象物の画像を生成するためのプロセッサを備える。前記検出器は、Ｘ線信号を受信して該Ｘ線信号を対応する電気信号に変換するように構成された少なくとも１つのセンサアレイと、電気信号を対応するデジタル信号に変換するように構成された少なくとも１つの電子装置と、センサアレイ及び電子装置を結合し、電気信号をセンサアレイから電子装置にルーティングするように構成された少なくとも１つのスイッチング回路から構成される。

別の実施形態において、一体化センサアレイキットが提供される。一体化されたセンサアレイキットは、Ｘ線信号を受信して該Ｘ線信号を対応する電気信号に変換するように構成された少なくとも１つのセンサアレイと、電子信号を対応するデジタル信号に変換するように構成された少なくとも１つの電子装置とを備える。前記センサアレイは更に、センサアレイと電子装置を結合し、電気信号をセンサアレイから電子装置にルーティングするように構成された少なくとも１つのスイッチング回路を備える。スイッチング回路は、第１の側面及び第２の側面を含むインターポーザー回路を含み、該インターポーザー回路がセンサアレイと電子装置との間に配置され且つ電子装置にセンサアレイを結合するように構成される。貫通ビアが、第１の側面と第２の側面とを電気的に結合するために備えられる。センサアレイキットは更に、インターポーザーの下に配置されたフレキシブルプリント回路を更に備え、電子装置は該フレキシブルプリント回路上に実装される。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通して同じ符号が同じ部分を示す添付図面を参考しながら以下の詳細な説明を読むとより理解されるであろう。

図１は、Ｘ線イメージングシステムでの使用に適合された検出器モジュールのブロック図である。Ｘ線イメージングシステムの例には、コンピュータ・トモシンセンスシステム、陽電子放射断層撮影法システムなどが含まれる。検出器モジュール１０は、センサアレイ１４、スイッチング回路１６及び電子装置１９を含む一体化構造体である。各構成要素は更に詳細に以下に説明される。

ここで用いられる「適合された」、「構成された」及び同様の用語は、システム内の装置が、システムの各要素が協働して説明される効果を提供することができるようにされていることを意味し、これらの用語はまた、アナログ又はデジタルのコンピュータ又は特定用途デバイス（特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など）の電気的又は光学的要素の動作機能、所与の入力信号に応答して出力を供給するようにプログラムされた増幅器又は同様のもの、及び電気的又は光学的に部品を互いに結合するための機械的装置を意味する。

センサアレイ１４は、Ｘ線信号を受信し、及びＸ線信号を対応する電気信号に変換するよう構成される。センサアレイ１６は、複数のピクセル２２を含み、フォトダイオードを備えたシンチレータ及び直接変換材料などのＸ線検出材料を含む。例示的な実施形態において、センサアレイは、例えば、Ｘ線放射線を対応する電気信号に変換するよう構成されたＸ線検出媒体を含むことができる。

電子装置１８は、電気信号を対応するデジタル信号２０に変換するように構成される。電子装置１８は、図１には示していない、増幅器、コンデンサ、サンプリング回路などを含むことができる。デジタル信号は、デジタル信号を処理して対応する画像を生成することができる画像プロセッサに供給することができる。

スイッチング回路１６は、センサアレイ１４と電子装置１８を結合するように構成される。スイッチング回路は、センサアレイのピクセルから電気信号を電子装置に経路に沿ってルーティングするように構成される。１つの実施形態においては、スイッチング回路は、インターポーザー回路を含む。センサアレイの直下にスイッチング回路を配置することにより、センサアレイとスイッチング回路との間のキャパシタンスが実質的に低減され、従って、全体のノイズの低減を含む電気的性能が改善される。加えて、センサアレイの近傍にスイッチング回路を配置することによって、電子装置のチャネルの相関二重サンプリングが行われ、従って、更に、インターコネクショントレースのノイズが低減される。信号は検出器モジュール内でルーティングされるので、検出器モジュールの側面には突合せ機能が設けられる。従って、こうした幾つかの検出器モジュールを検出器モジュール１０に付加して、２次元アレイを形成すると、大面積検出器アレイを生成することができる。

図２は、Ｘ線信号１２を感知して、対応するデジタル信号２０を生成するのに使用される検出器１０の側面図である。図示の実施形態においては、複数のピクセル２２から構成されるセンサアレイが示されている。センサアレイは、シリチレータ材料及びフォトダイオードを含むことができる。別の実施形態においては、センサアレイは、直接変換材料の単一の層から構成される。直接変換材料の例には、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛結晶、多結晶成形体及びフィルム層が含まれる。図示の実施形態においては、スイッチング回路１６は、シリコンインターポーザー回路である。シリコンインターポーザー回路は、電子装置１８に結合される。シリコンインターポーザー回路は、図３、図４及び図５を参照して以下に更に詳細に説明される。

図３は、インターポーザー回路の実施例の平面図である。インターポーザーは典型的には、トレースルーティング能力が最も高いシリコン基材を用いて作られる。しかしながら、当業者であれば、インターポーザーの基材材料は、シリコン、炭化ケイ素、ヒ素ガリウムなどを含む任意の半導体材料をから構成することができる点は理解されるであろう。加えて、有機及び非有機ポリマー材料は、インターポーザーの機能的要件に適合するように、トレースルーティング及び貫通ビアを備えて構成することができる。半導体材料を用いてインターポーザーを作る利点は、標準的なウェーハプロセスを用いてインターポーザーを作ることが可能であることであり、これにはウェーハ処理により達成できる極めて微細なピッチでインターポーザーの上に入力／出力コンタクトを生成することを含む。更に、インターポーザー材料は、その特性に基づき最適な機械的及び熱的性能に対応するように選択することができる。

第１の側面２６を含むインターポーザー回路が示されている。第１の側面２６は、幾つかのコンタクトパッド２８を含む。１つの実施形態において、インターポーザーの第１の側面は、センサアレイの各ピクセルにつき１つのコンタクトパッドを含む。各コンタクトパッドは、センサアレイのピクセルコンタクトに対応するよう配置することができる。コンタクトパッドは、センサアレイ１４とインターポーザー回路の第１の側面とを結合するよう構成される。

図４は、インターポーザー回路の１つの実施形態の底面図である。インターポーザー回路は、電子装置にインターポーザーを結合するよう構成された第２の側面３０を含む。第２の側面は、電気的スイッチ３４，３６及び３８に結合されたコンタクトパッド３２を含む。電気的スイッチは、センサアレイからの電気信号を電子装置の所望のチャネルに多重送信するよう構成される。本発明の特定の実施形態において、種々のピクセルからの電気信号は、電子装置の単一チャネルを通じてルーティングすることができる。

電気的スイッチの例としては、電界効果トランジスタ、スイッチとして構成されたダイオード、コンデンサスイッチ、及び類似するものが含まれる。インターポーザー回路の１つの特定の実施形態においては、電気的スイッチは、センサアレイ１４（図１に示す）から電子装置１８（図１に示す）までトレースを結合することができる。第２の側面は更に、スイッチのゲートラインを電子装置のコントロールシステムの制御ラインに結合する制御ライン（図示せず）を含むことができる。

図５は、インターポーザー回路１６の１つの実施形態の断面図である。貫通ビア４０は、第１の側面２６と第２の側面３０とを電気的に結合するよう構成される。貫通ビアは、規則的なアレイとすることができ、又はインターポーザー回路の１つの区域にクラスター化することができる。

別の実施形態においては、図１の検出器は、図６に示されるようにフレキシブルプリント回路を更に含む。また、フレキシブルインターコネクションは、フレキシブルプリント回路の代わりに用いることができる。フレキシブルプリント回路は、図６に示されるようにインターポーザー回路の下に配置することができる。電子装置１８は、フレキシブルプリント回路４２上に配置される。電子装置は、プリント回路の任意の部分に配置することができ、従って、検出器１０上に機械的支持体などの非電気的装置を用意に付加することが可能になる。バックプレーン４４とは、セラミック、プラスチック、金属又は金属の組み合わせの支持構造を含むことができるスイッチング回路の機械的支持体を意味する。一般的に、バックプレーンは、機械的及び熱的機能の両方の役割を果たす。

図７、図８及び図９は、スイッチング回路１６及びフレキシブルプリント回路４２を備える検出器の種々の実施形態である。図７は、フレキシブルプリント回路がスイッチング回路１６の下に「Ｔ」字形に配置された１つの実施形態である。バックプレーン４４は、スイッチング回路１６の機械的支持体として適用される。クランプ４６は、読み出し回路１８の機械支持体である。熱拡散層４８は、電子装置が発生した熱を放散するために電子装置１８の下に配置される。

同様に、図８は、フレキシブルプリント回路がスイッチング回路１６の下に「Ｃ」字形に配置された１つの実施形態であり、図９は、フレキシブルプリント回路がスイッチ回路１６の下に「Ｕ」字形に配置された１つの実施形態である。センサから電子装置までのフレキシブルインターコネクションの他の形状及び構成は、詳細には示さないが可能である。

上述の一体化された検出器モジュール１０の実施形態は、ＣＴシステムなどの種々の放射線イメージングシステムで実施することができる。体積に関する画像情報を収集する他のイメージング診断装置もまた、説明される本発明からの恩恵を受けることができる。ＣＴシステムの以下の検討は、このような実施の単に例証に過ぎず、診断装置及び解剖学的分析の点で限定を意図するものではない。本発明はまた、超音波システム、光学システム、熱システムといった、１つの形態の信号を感知してこれを別の信号に変換する他のシステムに利用することができる。

図１０は、イメージング対象６４の一部のイメージングに使用された例示的なＣＴスキャンシステム５０である。ＣＴスキャンシステム５０は、フレーム５２及びアパーチャ５６を有するガントリ５４と共に図示されている。更に、テーブル５８は、フレーム５２及びガントリ５４のアパーチャ５６内に位置付けられて示されている。ガントリ５４は、Ｘ線源１２（典型的にはＸ線放射線を放出するＸ線管６２）により示されている。通常運転においては、Ｘ線源６２は、検出器モジュール１０に向かってＸ線ビームを投影する。

検出器モジュール１０は、図１及び図２を参照して説明されたセンサアレイ、スイッチング回路、及び電子装置から構成される一体化構造体である。検出器モジュールは、Ｘ線信号を受信し、該Ｘ線信号を対応する電気信号に変換するように構成された少なくとも１つのセンサアレイと、電子信号を対応するデジタル信号に変換するように構成された少なくとも１つの電子装置と、センサアレイ及び電子装置を結合するスイッチング回路とを含み、該スイッチング回路は電気信号をセンサアレイから電子装置にルーティングするよう構成されており、該スイッチング回路、センサアレイ、及び電子装置は一体化構造体を形成する。

検出器モジュール１０からのデータは、プロセッサ６６によりフィルタ処理及び逆投影されて、スキャンされた区域の画像を構築する。プロセッサ６６は、通常、ＣＴシステム１０全体を制御するのに使用される。システムの動作を制御するメインプロセッサは、システムコントローラーによりイネーブルにされる機能を制御するよう適合させることができる。更に、オペレーターワークステーション７０は、プロセッサ６６並びにディスプレイ７２に結合され、再構成された画像を見ることができるようになる。あるいは、本明細書で説明された処理の一部又は全ては、原画像又は部分的に処理された画像データに基づいて、追加のコンピュータ資源によって遠隔的に実施することができる。

上記で説明された本発明は、センサアレイと電子装置との間の信号のフレキシブルルーティングを可能にすることを含む、多くの利点を提供する。多重化、ビニングなどの種々の機能を提供するための全ての回路は、単一のチップで構築することができ、従って、システムをよりコンパクトで信頼性のあるものとする。

本発明の特定の特徴のみを本明細書で図示し説明してきたが、当業者であれば多くの修正及び変更が行われるであろう。従って、添付の請求項は、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような修正及び変更を保護することを意図するものであることは理解されるべきである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

切換可能なルーティングがセンサと読み出し電子機器との間に介在する、本発明の１つの態様に従って実施される検出器の１つの実施形態を示すブロック図。 センサアレイと電子装置とがインターポーザーの両側に実装される、本発明の１つの態様に従って実施される検出器の１つの実施形態の側面図。 センサアレイ構成に対応するコンタクトパッドのアレイを示す本発明の１つの態様に従って実施されるインターポーザー回路の１つの実施形態の上面図。 インターポーザー回路の第２の側面上に配置されたコンタクトパッドの１つのアレイを示す本発明の１つの態様に従って実施されるインターポーザー回路の１つの実施形態の底面図。 インターポーザー回路の第１の側面上のコンタクトパッドをインターポーザー回路の第２の側面上のコンタクトパッドに電気的に結合する貫通ビアを図示する本発明の１つの態様に従って実施されるインターポーザー回路の１つの実施形態の断面図。 本発明の１つの態様に従って実施されるフレキシブルプリント回路を含む検出器の１つの実施形態の側面図。 スイッチング回路及びフレキシブルプリント回路を含む検出器の実施形態。 スイッチング回路及びフレキシブルプリント回路を含む検出器の実施形態。 スイッチング回路及びフレキシブルプリント回路を含む検出器の実施形態。 本発明の１つの態様に従って実施されるイメージングシステムの１つの実施形態を示すブロック図。

符号の説明

１０ 検出器モジュール
１２ Ｘ線信号
１４ センサアレイ
１６ スイッチング回路
１８ 電子装置

Claims (2)

1. イメージングシステム（５０）で使用するための検出器モジュール（１０）であって、
   Ｘ線信号（１２）を受信し、該Ｘ線信号を対応する電気信号に変換するように構成された少なくとも１つのセンサアレイ（１４）と、
   前記電気信号を対応するデジタル信号（２０）に変換するように構成された少なくとも１つの電子装置（１８）と、
   前記センサアレイと前記電子装置とを結合するスイッチング回路（１６）と、
   を備え、
   前記スイッチング回路が、前記センサアレイの底面と前記電子装置の上面の間に配置され、前記電気信号を前記センサアレイから前記電子装置にルーティングするように構成され、前記スイッチング回路、前記センサアレイ、及び前記電子装置が一体化された構造体を形成し、
   前記スイッチング回路が、第１の側面（２６）及び第２の側面（３０）から構成されるインターポーザー回路を含み、前記インターポーザー回路が前記センサアレイと前記電子装置との間に配置され、前記センサアレイを前記電子装置に結合するように構成され、前記インターポーザー回路の第１の側面が少なくとも１つのコンタクトパッド（２８）を含み、前記第１の側面が前記センサアレイに前記インターポーザーを結合するよう構成され、前記第２の側面が少なくとも１つの電気的スイッチ（３４）を含み、該第２の側面が前記インターポーザーを前記電子装置に結合して前記センサアレイからの電気信号を前記電子装置にルーティングするように構成されており、
   前記インターポーザー回路の下に配置されるフレキシブルプリント回路（４２）であって、前記電子装置（１８）が、該フレキシブルプリント回路（４２）の前記インターポーザー回路が配置される面と同じ面上に配置される、フレキシブルプリント回路（４２）と、
   前記スイッチング回路（１６）を機械的に支持するバックプレーン（４４）と、
   前記バックプレーン（４４）と共に前記電子装置（１８）を機械的に支持するクランプ（４６）と、
   前記第１の側面と前記第２の側面とを電気的に結合するよう構成された貫通ビア（４０）を更に備え、
   前記フレキシブルプリント回路（４２）が前記スイッチング回路（１６）の下に「Ｃ」字形に配置され、前記電子装置（１８）が前記スイッチング回路（１６）、前記バックプレーン（４４）及び、前記フレキシブルプリント回路（４２）の下に配置されることを特徴とする検出器モジュール。
2. 前記インターポーザーの下部表面に配置されたフレキシブルプリント回路（４２）又はフレキシブルインターコネクションを更に備え、前記電子装置が該フレキシブルプリント回路上に実装される請求項１に記載の検出器。
   

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